UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-PROCESSED ...web4. UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-PROCESSED

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-PROCESSED ...web4. UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF...

  • UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-PROCESSED QUANTUM WELL

    STACKS

    a thesis submitted to

    the graduate school of engineering and science

    of bilkent university

    in partial fulfillment of the requirements for

    the degree of

    master of science

    in

    electrical and electronics engineering

    By

    Onur Erdem

    July, 2015

  • UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-

    PROCESSED QUANTUM WELL STACKS

    By Onur Erdem

    July, 2015

    We certify that we have read this thesis and that in our opinion it is fully adequate,

    in scope and in quality, as a thesis for the degree of Master of Science.

    Assoc. Prof. Dr. Hilmi Volkan Demir(Advisor)

    Assoc. Prof. Dr. Dönüş Tuncel

    Assist. Prof. Dr. Nihan Kosku Perkgöz

    Approved for the Graduate School of Engineering and Science:

    Prof. Dr. Levent Onural Director of the Graduate School

    ii

  • ABSTRACT

    UNRAVELING EXCITONIC DYNAMICS OF SOLUTION-PROCESSED QUANTUM WELL STACKS

    Onur Erdem

    M.S. in Electrical and Electronics Engineering

    Advisor: Assoc. Prof. Dr. Hilmi Volkan Demir

    July, 2015

    Colloidal semiconductor quantum wells, also commonly known as nanoplatelets

    (NPLs), are a new class of atomically flat nanocrystals that are quasi two-

    dimensional in lateral size with vertical thickness control in atomic precision.

    These NPLs exhibit highly favorable properties including spectrally narrow pho-

    toluminescence (PL) emission, giant oscillator strength transition and negligi-

    ble inhomogeneous broadening in their emission linewidth at room temperature.

    Also, as a unique property, NPLs may self-assemble themselves in extremely long

    chains, making one-dimensional stacks. The resulting excitonic properties of these

    NPLs are modified to a great extent in such stacked formation. In this thesis,

    we systematically study the excitonic dynamics of these solution-processed NPLs

    in stacks and uncover the modification in their excitonic processes as a result

    of stacking. We have showed that, with increased degree of controlled stack-

    ing in NPL dispersions, the PL intensity of the NPL ensemble can be reduced

    and their PL lifetime is decreased. We also investigated temperature-dependent

    time-resolved and steady-state emission properties of the nonstacked and com-

    pletely stacked NPL films, and found that there are major differences between

    their temperature-dependent excitonic dynamics. While the PL intensity of the

    nonstacked NPLs increases with decreasing temperature, this behaviour is very

    limited in stacked NPLs. To account for these observations, we consider Förster

    resonance energy transfer (FRET) between neighboring NPLs in a stack accom-

    panied with charge trapping sites. We hypothesize that fast FRET within a

    NPL stack leads increased charge trapping, thereby quenching the PL intensity

    and reducing the PL lifetime. For a better understanding of the modification in

    the excitonic properties of NPL stacks, we developed two different models, both

    of which consider homo-FRET between the NPLs along with occasional charge

    trapping. The first model is based on the rate equations of the exciton popu-

    lation decay in stacks. The rate equations constructed for each different stack

    iii

  • iv

    were solved to successfully estimate the PL lifetime of the stacked ensembles. In

    the second one, excitonic transitions in a stack are modeled as a Markov chain.

    Using the transition probability matrices for the NPL stacks, we estimate the PL

    lifetime and quantum yield of the stacked ensembles. Both models were shown

    to explain well the experimental results and estimate the observed changes in the

    excitonic behaviour when the NPLs are stacked. The findings of this thesis work

    indicate that it is essential to account for the effect of NPL stacking to understand

    their resulting time resolved and steady-state emission properties.

    Keywords: Colloidal quantum wells, semiconductor nanoplatelets, Förster reso-

    nance energy transfer, stacking, exciton dynamics.

  • ÖZET

    ÇÖZELTİ HALİNDE İŞLENEN KUANTUM KUYUSU YIĞINLARINDA EKSİTON DİNAMİKLERİNİN

    ÇALIŞMASI

    Onur Erdem

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Yüksek lisans

    Tez Danışmanı: Doç. Dr. Hilmi Volkan Demir

    Temmuz, 2015

    Nanoplakalar (NPL’ler) olarak da bilinen koloidal kuantum kuyuları, kalınlığı

    atom mertebesinde kontrol edilebilen ve atomik düzeyde pürüzsüz yüzeylere sahip

    olan iki boyutlu benzeri yeni bir nanokristal türüdür. NPL’ler fotoışıma tayf

    genişliklerinin çok düşük olması, salınım gücü geçişlerinin çok yüksek olması ve

    oda sıcaklığında çok az miktarda homojen olmayan ışıma genişlemesine sahip ol-

    maları gibi kullanışlı özelliklere sahiptir. Ayrıca, NPL’ler bir araya gelerek yığın

    denilen kendilerine özgü, bir boyutlu, çok uzun zincirler oluşturabilirler. Yığılı

    NPL’lerde eksitonik özellikler yığılı olmayanlara göre büyük ölçüde değişmektedir.

    Bu tezde, çözelti halinde işlenen NPL yığınlarının eksiton dinamiklerini sistem-

    atik olarak inceledik ve yığılma sonucu eksitonik özelliklerinde oluşan değişimleri

    ortaya çıkardık. NPL çözeltilerinde NPL’lerin yığılması arttıkça, fotoışıma

    şiddetinin düştüğünü ve fotoışıma ömrünün azaldığını gösterdik. Ayrıca yığılı

    ve yığılı olmayan NPL filmlerinde eksitonların geçici ve durağan davranışlarını

    karşılaştırıp sıcaklığa bağlı eksiton dinamiklerinin büyük farklılıklar gösterdiğini

    gözlemledik. Yığılı olmayan NPL’lerin fotoışıma şiddeti, düşen sıcaklıkla bir-

    likte düzenli olarak artarken, yığılı NPL’lerde bu artış çok düşük düzeydedir.

    Bu farklılıkları açıklayabilmek için, yığılı NPL’ler arasındaki Förster rezonans

    enerji transferini (FRET) ve NPL’lerin bazılarında bulunan yük kapanlarını

    kullandık. Hipotezimiz, NPL yığınlarında çok yüksek hızla gerçekleşmesi bek-

    lenen FRET nedeniyle eksitonların çoğunun yük kapanlarında sönümlendiği,

    bunun sonucunda da fotoışıma şiddetinin ve ömrünün azaldığıdır. Bu hipotez-

    imizin sınanıp NPL’lerin yığınlaşmasının meydana getirdiği değişikliklerin daha

    iyi anlaşılabilmesi için, hem NPL yığınlarındaki ardışık NPL’ler arasındaki

    FRET’i, hem de bazı NPL’lerde bulunan yük kapanlarını dikkate alan iki model

    v

  • vi

    geliştirdik. Bu modellerden ilki, NPL yığınlarındaki eksiton miktarının za-

    mana göre değişimini bulmak için diferansiyel denklemler kullanmaktadır. Bu-

    rada her özgün NPL yığını için oluşturulan diferansiyel denklem sistemlerinin

    çözümü, yığılı NPL kümelerinin fotoışıma yarıömrünü hesaplamak için kul-

    lanılmaktadır. kinci modelde eksitonların NPL yığını içindeki hareketleri Markov

    zinciri olarak tanımlanmıştır. Burada her bir yığın için oluşturulan geçiş olasılığı

    matrisleri, fotoışıma ömrünü ve verimliliğini hesaplamada kullanılmıştır. Her

    iki modelin de deneysel sonuçları açıklayabildiği ve gözlenen sonuçları tahmin

    edebildiği gösterilmiştir. Bu tezde elde edilen sonuçlar, NPLlerde yığılmanın

    yarattığı etkinin, NPL’lerin geçici ve durağan ışıma özelliklerini incelenirken

    hesaba katılmasının gerekliliğini ortaya koymaktadır.

    Anahtar sözcükler : Koloidal kuantum kuyuları, yarıiletken nanoplakalar, Förster

    rezonans enerji transferi, yığınlaşma, eksiton dinamikleri.

  • Acknowledgement

    It has been four years since I first joined the Devices and Sensors Research Group

    and met the nice people I am happy to be working with. I would like to acknowl-

    edge every single one of them for their direct or indirect contributions to my

    work.

    I would like to begin by thanking Prof. Hilmi Volkan Demir for his supervision,

    guidance and help throughout my research. His continuous motivation and valu-

    able feedback on my work was very helpful in completing this thesis. In addition,

    I would like to thank Prof. Dönüş Tuncel and Prof. Nihan Kosku Perkgöz for

    being in my thesis committee, and for their feedback.

    I would like to thank Dr. Evren Mutlugün, who took care of me when I joined the

    group, for introducing me around the lab, showing me experiments for the first

    time and answering my questions about them. I also thank Dr. Pedro Ludwig

    Hernández-Mart́ınez for sparing his time to answer my questions patiently. I

    thank Dr. Emre Sarı for the advices he gave me about the graduate research. I

    thank Ahmet Fatih Cihan, who assisted me in my final undergraduate semester

    and the following summer, for his huge effort to help me adopt the group and train

    me to use most of